高爐料車卷揚(yáng)電力拖動(dòng)方案原理的分析和比較

1、高爐料車卷揚(yáng)電力拖動(dòng)方案原理的分析和比較Summarization and Analysis about Projecting Theory of Electric Drive for Hoist of Blast Furnace Car摘 要 ：本文面向煉鐵高爐主卷揚(yáng)電力拖動(dòng)方案，通俗簡介了各種電機(jī)電氣傳動(dòng)方式和它們的特點(diǎn)，重點(diǎn)分析了繞線電機(jī)串阻調(diào)速、直流電機(jī)調(diào)速和交流電機(jī)通用變頻調(diào)速的適用性和優(yōu)缺點(diǎn)，特別指出了變頻調(diào)速的節(jié)能優(yōu)勢及應(yīng)用中存在和應(yīng)注意的問

2、題。英文摘 要 ：With the projecting of electric drive for hoist of blast furnace, varieties of electric drive modes and their characteristics are simply introduced, the suitability and

3、60;features of three techniques including reel wire motor serials risistance speed control, direct motor speed control and inverter-fed induction motor drives are mainly analyzed, 

4、also the energy-saving superiority and the problems that exist and should be noticed of frequency variable adjusting speed technique are specially pointed out.關(guān)鍵詞： 高爐主卷揚(yáng)電力傳動(dòng)  繞線電機(jī)串

5、電阻調(diào)速   直流電機(jī)調(diào)速  異步電機(jī)變頻調(diào)速     1  引言    高爐上料主卷揚(yáng)系統(tǒng)是煉鐵廠最主要的原料輸送設(shè)備，目前，國內(nèi)大多數(shù)高爐采用卷揚(yáng)料車上料，中小型高爐又多采用雙車上料方式，即二部料車用鋼絲繩卷繞于同一卷筒上，重車上升與輕車下降同時(shí)進(jìn)行，當(dāng)下部料車裝料后，按工藝指令開動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，使料車沿斜軌上升，當(dāng)?shù)竭_(dá)爐頂相應(yīng)位置時(shí)，減速停止并翻料入爐，此時(shí)另一料車正下降停止。在料車啟動(dòng)運(yùn)行過程中，速度由慢到快，然后勻速運(yùn)行，接近爐頂時(shí)再由快到慢直到停止，期間為準(zhǔn)確

6、啟停車和防止溜車，應(yīng)在適當(dāng)位置發(fā)出信號，改變速度，控制抱閘打開或閉合等，以保證料車安全運(yùn)行。其速度運(yùn)行區(qū)段如圖1所示。如某高爐料車一全程區(qū)段時(shí)間約50s，各廠高爐工況不同，情況不盡相同，甚至有些還分為多段加速。圖1     高爐卷揚(yáng)車速度區(qū)段圖    高爐主卷揚(yáng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)有三種主流方案，即繞線異步電機(jī)串電阻調(diào)速、直流調(diào)速和異步電機(jī)變頻調(diào)速方案。那么，為什么在各種調(diào)速方案中，以上三種成為主選，曾經(jīng)和正在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用呢？這要從它的工藝特點(diǎn)和負(fù)載特性說起。   2  高爐主卷揚(yáng)的負(fù)載特性和控

7、制要求    高爐上料的工藝要求，決定了負(fù)載特性的以下特點(diǎn):    (1) 負(fù)載較重，需較大的起動(dòng)力矩和足夠的提升運(yùn)載能力，為典型的重載或重輕載力矩特性;    (2) 可調(diào)變速，工作于基速以下，不需弱磁于恒功率段，運(yùn)行穩(wěn)定而精度要求一般;    (3) 此外，電氣系統(tǒng)對于控制可靠，停位準(zhǔn)確，各種保護(hù)措施的完善等方面，都有嚴(yán)格要求等。    如此究竟哪些系統(tǒng)能滿足上述要求呢？就控制對象來說，特性導(dǎo)引取向，應(yīng)用決定選型，這個(gè)問題，直接牽扯到各種電機(jī)

8、的工作方式和運(yùn)行特性，以及何種方式更適合上述負(fù)載的特點(diǎn)，順藤摸瓜，分析比較，就能得出選型的原因，試分析討論。3  交直流電機(jī)的機(jī)械特性簡介    由電機(jī)學(xué)知，三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為:    交流異步電機(jī)的自然機(jī)械特性，可參見圖2(a)中上部較平直曲線。式(1)為速度的轉(zhuǎn)差率表達(dá)式，式(2)為功率表達(dá)式，式(3)為轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，異步電機(jī)的機(jī)械特性，為非線性曲線，與電壓、電流、阻抗、頻率、時(shí)間等參數(shù)有關(guān)，其動(dòng)態(tài)表達(dá)式更是與轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、電磁機(jī)電常數(shù)及變量的變化率有關(guān)，比較復(fù)雜，此僅表示基本函數(shù)關(guān)系。由式(1)(3)初步可知，可通過

9、改變同步速度或轉(zhuǎn)差率兩種方式實(shí)現(xiàn)調(diào)速，第一種方式較少改變曲線平直即硬度，只移動(dòng)速度的高點(diǎn)，效率較高，方法為調(diào)節(jié)頻率f(并結(jié)合調(diào)電磁功率以保持磁通恒定)，這就是通常所說的變頻調(diào)速，或在繞線電機(jī)轉(zhuǎn)子回路串入功率變換器即附加電動(dòng)勢，如附加電動(dòng)勢大于零，則將轉(zhuǎn)差功率回饋電網(wǎng)，這就是所說的低于同步轉(zhuǎn)速的串激調(diào)速，如附加電勢小于零，則是從電網(wǎng)吸取能量注入轉(zhuǎn)子回路，使得轉(zhuǎn)差小于零，此時(shí)轉(zhuǎn)速高于同步轉(zhuǎn)速，稱為超同步串激調(diào)速，總之，這種轉(zhuǎn)差功率損耗為零，即不會使特性變軟，這即是繞線電機(jī)的串激或雙饋調(diào)速;反之，第二種方式如轉(zhuǎn)子串電阻或定子降壓及電磁滑差調(diào)速，都將造成轉(zhuǎn)差損耗，轉(zhuǎn)差率加大，特性曲線下斜變軟。以下，將

10、在方案討論中再作分析。圖2電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性曲線    直流電機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖2(b)所示，其機(jī)械特性方程式如下:         (4)    式中: CE電磁時(shí)間常數(shù); CM機(jī)電時(shí)間常數(shù);     轉(zhuǎn)矩; Rs電樞電阻; RF附加電阻。    根據(jù)方程式，調(diào)速方式也有兩類三種，即電樞調(diào)壓(基速下調(diào))、弱磁(基速上調(diào))，電樞串電阻，增加轉(zhuǎn)速降。    下面，

11、結(jié)合高爐方案進(jìn)行討論。 4  高爐三種系統(tǒng)的控制特性和選型分析(1) 交流繞線異步電機(jī)串電阻調(diào)速    三相交流繞線異步電機(jī)串電阻調(diào)速特性曲線如圖2(a)所示，由特性曲線可看出，繞線異步電機(jī)頗硬而起速瞬間力矩較小的特性，經(jīng)串電阻后曲線下斜，特性變軟，隨電阻加大直至與下座標(biāo)相交，但起步力矩加大，這正是起重機(jī)低速提升重物的常用方法，至今在天車等設(shè)備應(yīng)用廣泛。這一系統(tǒng)曾在中小高爐應(yīng)用較多，且大都以PLC改進(jìn)了操作系統(tǒng)，及采用微機(jī)秤重上料技術(shù)。然而這種系統(tǒng)電阻耗能，特性較軟，隨著新技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用，目前在高爐上料已應(yīng)用較少，呈淘汰之勢。在此不多討論。(2) 直流

12、電機(jī)調(diào)速    直流電機(jī)調(diào)速原理如上所述，通常轉(zhuǎn)速式還可簡化表示為:    ，KE為電機(jī)結(jié)構(gòu)系數(shù)。而目前生產(chǎn)中普遍采用的是可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)，且多為電壓、電流或轉(zhuǎn)速PID閉環(huán)控制，則無論是機(jī)械特性硬度，或其他運(yùn)行指標(biāo)，都較開環(huán)    系統(tǒng)好得多，當(dāng)然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和特性表達(dá)式也復(fù)雜得多，這里就不多敘述。    由圖2(b)可看出，特性曲線線簇平直平行，且無下彎，這是因?yàn)?，它激直流電機(jī)勵(lì)磁磁場固有先建，基速以下電樞調(diào)壓調(diào)速，無附加損耗，故而特性較硬，因此是一種原理簡明、性能良好的系統(tǒng)

13、，長期以來，在許多重要特別是力矩及精度要求較高的設(shè)備，如龍門刨等應(yīng)用較廣。高爐上料也是如此，鞍鋼、本鋼、武鋼、萊綱等大型高爐都曾采用，幾年前，張鋼在5# 400m3高爐改造上馬中，仍選用了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。只是目前高標(biāo)準(zhǔn)的直流調(diào)速系統(tǒng)，多采用數(shù)字式可控整流產(chǎn)品，控制準(zhǔn)確、保護(hù)靈敏、使用方便、結(jié)構(gòu)緊湊，張鋼系統(tǒng)，直流電機(jī)為186kW，調(diào)速器選用了ABB-DCS400系列產(chǎn)品，容量為500V/1000A，操作系統(tǒng)由LC控制，限位信號由附裝于電機(jī)的主令控制器發(fā)出，光碼盤用于速度顯示，有關(guān)信號綜合于操作臺板和上位計(jì)算機(jī)顯示屏，如上所述，電機(jī)不運(yùn)行于弱磁段，該系統(tǒng)當(dāng)前運(yùn)行穩(wěn)定正常。(3) 交流異步電機(jī)變

14、頻調(diào)速    近年來，隨著微計(jì)算機(jī)和電力電子技術(shù)的進(jìn)步，電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中變頻調(diào)速技術(shù)發(fā)展迅速，日益成為電力傳動(dòng)應(yīng)用的生力軍，高爐上料卷揚(yáng)拖動(dòng)也是如此。    變頻調(diào)速的原理為:由異步電機(jī)轉(zhuǎn)速式知，當(dāng)供電頻率變化時(shí)，可改變電機(jī)速度，這是變頻調(diào)速的基本依據(jù)。變頻調(diào)速分為兩類，一類為通用變頻器，即交-直-交(VVVF)變頻器，一類為少數(shù)性能要求較高的交交直接變頻，從大量普通用途出發(fā)，重點(diǎn)討論通用變頻器的原理。    所謂交-直-交變頻，是把交流電源先整流成直流電源，并加以濾波，然后再逆變成頻率電壓可調(diào)的交流電源，

15、實(shí)際由整流器和逆變器兩部分組成的，VVVF是可變壓變頻的英文縮寫。由于異步電機(jī)賴以工作的激磁磁通，是以通電后定子和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢合成產(chǎn)生的，從穩(wěn)定工作和產(chǎn)生最大力矩的需要，應(yīng)使磁通保持大而恒定，從磁通式=KE/F KV/F來看，要想使恒定，必需在改變頻率的同時(shí)，調(diào)整電壓使V/F=常量，這就是恒壓頻比的控制方式，其機(jī)械特性曲線如圖2(c)。從曲線特征看，上部基本是平直下移的，如同直流電機(jī)的曲線。所不同的是下部下彎，呈現(xiàn)一般交流電機(jī)的特性，根據(jù)電力拖動(dòng)原理，基速以下基本屬于恒轉(zhuǎn)矩特性，不過由于頻率過低時(shí)，起動(dòng)激磁過小，因而力矩較小，所幸可以通過抬高電壓的辦法，補(bǔ)償壓降，加大起動(dòng)力矩，如(c)中虛線所示

16、，目前國內(nèi)外產(chǎn)品大都具有轉(zhuǎn)矩提升功能，過載能力可至二倍，工作特性較好，保護(hù)功能和可靠性提高，且成本已逐步下降。    從以上分析可得出結(jié)論，通用型變頻調(diào)速器具備了恒轉(zhuǎn)矩工作和低速起調(diào)兩大基本要素，可提供較大的起動(dòng)力矩，能夠滿足高爐上料拖動(dòng)的要求，如采用電壓電流或速度閉環(huán)控制，性能還能提高。    那末，有些其他調(diào)速系統(tǒng)為甚么不能適合此項(xiàng)應(yīng)用，入圍幾種系統(tǒng)的優(yōu)缺又作何比較呢？    以下再作分析。 5  幾種系統(tǒng)性能優(yōu)勢比較    從以上交直流電機(jī)的原理介紹發(fā)現(xiàn)，有些

17、方案性能和能耗較差，自然不被選用，如滑差電機(jī);有些系統(tǒng)調(diào)速性能和效率本不錯(cuò)，但因具體原因被否決，如雙饋調(diào)速，構(gòu)成較復(fù)雜，可基速上調(diào)的優(yōu)勢不需要，串激調(diào)速節(jié)能性較好，但調(diào)速范圍小，低速起動(dòng)又不好解決;交交變頻主要考慮成本不優(yōu)先選用。還是以上三種，繞線異步電機(jī)串電阻調(diào)速逐漸淘汰的原因已說過，重點(diǎn)就是直流電機(jī)和通用變頻調(diào)速的比較。    前邊初步討論過，直流電機(jī)調(diào)速特性幾乎是完美的，可靠運(yùn)行也無問題，然而與異步電機(jī)通用變頻比較，還有幾項(xiàng)指標(biāo)值得討論。首先直流電機(jī)與異步電機(jī)相比，構(gòu)造和造價(jià)復(fù)雜高得多;其次從效率看，變頻調(diào)速有相當(dāng)優(yōu)勢;從調(diào)速器價(jià)格而言，二者相差不多，控制功

18、能接近;另外，從功率因數(shù)和電路諧波方面，有所不同，這里重點(diǎn)作些分析比較。    電氣系統(tǒng)的功率因數(shù)()，定義為實(shí)際消耗功率(k)與視在功率(k)之比，準(zhǔn)確一點(diǎn)說，與通常所說的從電路相角導(dǎo)出的OS(P)有所不同，只有當(dāng)線路電壓和電流都是正弦波時(shí)，二者才相等，實(shí)際功率因數(shù)受電路諧波和其它非線性的影響，比正弦波時(shí)的功率因數(shù)低標(biāo)準(zhǔn)直流傳動(dòng)與變頻調(diào)速裝置的區(qū)別在于，直流電機(jī)采用可控硅晶閘管SCR整流電路，屬相位控制，因而會產(chǎn)生電壓電流的相位差，速度越低，移相角越大，則功率因數(shù)越低，而高速時(shí)由于換相角保護(hù)，也不可能達(dá)到正弦波全導(dǎo)通，因此，直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)功率因數(shù)不是很高，而且

19、會產(chǎn)生較多的電路諧波，帶來較大的電磁干擾。而通用變頻器的整流級采用二極管橋式整流，接電容器濾波，后邊逆變部分較大的非線性及電機(jī)感抗造成的功率因數(shù)下降，因有電容和整流器的阻隔，無功電流只在逆變器和電機(jī)之間流動(dòng)，并不直接向電網(wǎng)傳遞，這就是說，變頻器對無功分量起到隔離作用，實(shí)際上，實(shí)用中可看到這樣一種現(xiàn)象，就是變頻器輸入電流比變頻器到電機(jī)的輸出電流還要小些，當(dāng)然這是指高速負(fù)載時(shí)作的比較，低速時(shí)電壓也低，不同于變頻輸入電壓，電流無可比性，而且空載時(shí)電路產(chǎn)生的諧波也還影響到功率因數(shù)，下面還要談到，這就說明，總的來說，變頻器系統(tǒng)可以提高電路功率因數(shù)，減小電網(wǎng)電流，這已成為提高工廠用電功率因數(shù)的可選措施之一

20、。    不過，有多種原因使得變頻器的輸出波形不是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，并會產(chǎn)生較大的電磁諧波，由于通用變頻器輸入橋式整流后接有濾波電容器，當(dāng)空載時(shí)，電容充電電壓接近輸入電壓峰值，使二極管不能全導(dǎo)通，呈脈動(dòng)狀波形，離正弦波相去很遠(yuǎn)，其中含有五次以上奇次諧波較多，而逆變器采用大量電子開關(guān)斬波電路，所生成的三相逆變電源也不完全是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，含有許多脈沖尖峰，可通過傳導(dǎo)、輻射、電磁耦合等方式影響到電網(wǎng)，嚴(yán)重時(shí)能影響到外部通訊儀表等正常工作，甚至自身的穩(wěn)定運(yùn)行，以及增加電機(jī)、變壓器等電器設(shè)備的損耗。因此，這一問題不容忽視，但只要注意采取一定措施，提高設(shè)備的電磁兼容性，問題通常是能夠解決的，所謂電磁兼容性EMC，是指一臺設(shè)備不產(chǎn)生使其它裝置不能承受的電磁干擾，又能抵抗外來不良信號影響，如合理布線，讓電源線與信號線分開敷設(shè)，常常就能解決問題，又如，加接專用濾波器(分變頻器前后)，可有效減小電路諧波，增加其抗干擾性。6  結(jié)束語    綜上所述，針對高爐上料卷揚(yáng)負(fù)載特性的需要，對各種電力拖動(dòng)的原理和適用性作了分析，從技術(shù)應(yīng)用發(fā)展的軌跡看來，繞線電機(jī)串電阻調(diào)速曾在生產(chǎn)中發(fā)過重要作用，隨著控制，要求提高和節(jié)能的需要，直流電機(jī)特別是可控硅直流調(diào)速系統(tǒng)在大中型高爐上得到應(yīng)用，由于近年來隨著